封装材料对组件抗PID性能影响研究

封装材料对光伏组件抗 PID 性能影响研究杨江海，董远强，蒋忠伟，龚露，叶心星，孙小菩，彭华（东莞南玻光伏科技有限公司，东莞， 523141）摘要 随着光伏发电在世界能源中占有的比例越来越高， 发电系统的规模也越来越庞大。 增加系统电压和采用更少的逆变器可以减少整体光伏系统的成本， 但容易使组件暴露在高压下而引起 PID 衰减。 因此，研究和解决光伏组件抗 PID 效应问题可以有效提升光伏电站发电收益。本文系统研究了光伏组件封装材料如太阳能玻璃、 EVA 对组件抗 PID 性能影响，首次提出通过在玻璃表面增加抗 PID 涂层和优化EVA VA 含量以及各种助剂配比可以提高组件抗 PID 性能并对其机理进行了初步探讨。关键词 光伏组件；封装材料； 抗 PID 效应；太阳能玻璃； EVA引言PID Potential Induced Degradation 即电位诱发衰减。一些光伏电站实际经历表明， 光伏发电系统的系统电压存在对晶体硅电池组件有持续的 “ 电位诱发衰减 ” 效用， 基于丝网印刷的晶体硅电池通过封装材料（通常是 EVA 和玻璃的上表面）对组件边框形成的回路所导致的漏电流，被确认为是引起上述效应的主要原因。近年来 PID 已经成为国外买家投诉国内组件质量的重要因素之一， 严重时候它可以引起一块组件功率衰减 50以上，从而影响整个电站的功率输出 [12] 。目前关于组件抗 PID 性能研究多数集中于硅片电阻率、 电池方块电阻、电池氮化硅膜折射率等内容 [37] ，对于封装材料如玻璃、 EVA对组件抗 PID 性能影响鲜有报道，本文将从组件封装材料如玻璃、EVA 入手，研究封装材料对组件抗 PID 性能影响，并对其抗 PID 机理进行初步探讨。1 实验1.1 实验原料及仪器实验材料使用相同厂家硅片相同电池工艺制备的多晶电池片，国内 A 厂家太阳能超白镀膜玻璃 1及表面增加抗 PID涂层的 2玻璃；国内外知名 6 个 EVA 厂家的 6 种抗 PID EVA 胶膜 16；太阳能组件用背板、涂锡带、接线盒及边框等。实验仪器 3A 级 Spire 测试仪、高分辨率沛德 EL 测试仪、步入式环境试验箱。1.2 实验过程使用 1、 2太阳能超白镀膜玻璃和 1 EVA 分别制备 2 块组件，对比玻璃对组件抗 PID 性能影响； 采用 1太阳能超白镀膜玻璃和 16抗 PID EVA 胶膜制备 6 块组件， 对比 EVA 胶膜对组件抗 PID 性能影响。1.3 抗 PID 性能测试方法试验箱环境 85℃（温度） ， 85（湿度） ，组件缆线和边框之间施加负 1000V 直流电压，测试 96 小时，之后测试 EL 图像及组件功率，要求与组件初始功率相比，功率衰减 5以内。2 结果与讨论2.1 玻璃对组件抗 PID 性能影响表 1 玻璃对组件抗 PID 性能影响图 1 组件 Lot1 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 2 组件 Lot2 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像表 1列出了玻璃对组件抗 PID 性能影响的数据。可以看出，通过在玻璃表面增加抗 PID 涂层可以极大提高组件抗 PID 性能。经验表明，当相对湿度超过约 40时，玻璃表面吸附空气中的水分，并与玻序号 玻璃 状态 Voc/V Isc/A Pmax/W Vpm/V Ipm/A 衰减/ Lot1 1 初始 37.92 8.76 256.7 30.92 8.3 74.80 96H 后 26.35 8.33 64.59 14.92 4.33 Lot2 2 初始 37.69 8.55 246.5 30.69 8.03 13.10 96H 后 37.48 8.65 214.2 29.56 7.25 璃中的 Na 进行离子交换产生 NaOH 或 Na2CO3。另外， EVA 中的酯键在遇到水后也发生分解， 产生可以自由移动的醋酸。 可以自由移动的醋酸 CH3COOH和玻璃表面析出的碱反应后，产生了可以自由移动的 Na。 Na在外加电场的作用下向电池片表面移动并富集到减反层而从导致 PID 现象产生。 因此， 通过在玻璃表面增加涂层， 可以阻止玻璃表面钠离子的产生、迁移从而起到组件抗 PID 作用。2.2 EVA 对组件抗 PID 性能影响表 2 EVA 对组件抗 PID 性能影响序号EVA 状态 Voc/V Isc/A Pmax/W Vpm/V Ipm/A 衰减/ Lot1 1 初始 37.92 8.76 256.73 30.92 8.30 74.80 96H 后 26.35 8.33 64.59 14.92 4.33 Lot3 2 初始 37.99 8.73 250.09 30.49 8.20 67.05 96H 后 29.72 8.61 82.40 17.22 4.79 Lot4 3 初始 37.98 8.57 245.87 30.24 8.13 34.73 96H 后 36.37 8.69 160.49 26.24 6.12 Lot5 4 初始 37.85 8.67 245.73 30.23 8.13 41.84 96H 后 36.24 8.60 142.92 25.55 5.59 Lot6 5 初始 37.95 8.63 247.44 30.29 8.17 29.70 96H 后 37.25 8.69 173.96 28.26 6.16 Lot7 6 初始 37.76 8.74 253.96 30.80 8.25 32.73 96H 后 37.12 8.79 170.83 28.01 6.10 图 3 组件 Lot3 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 4 组件 Lot4 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 5 组件 Lot5 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 6 组件 Lot6 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像图 7 组件 Lot7 初始 EL 图像、 PID 测试 96 小时后 EL 图像表 2 列出了国内外知名抗 PID EVA 胶膜对组件抗 PID 性能的影响数据。 可以看出， 部分胶膜确实可以提高组件抗 PID 性能。 目前提高 EVA 抗 PID 性能主要从降低组件水解时醋酸含量以及优化各种助剂，提高 EVA 胶膜交联后高温时的体积电阻率进行解决。因此，通过优化 EVA 生产工艺、筛选原料和优化原料的配比，可以提高 EVA胶膜对组件抗 PID 的效果。3 结论（ 1） 通过在玻璃表面增加抗 PID 涂层减少表面钠离子移动可以使组件具备一定的抗 PID 性能；（ 2）通过优化 EVA 生产工艺、筛选原料和优化原料的配比，也可以提高组件的抗 PID 的效果。参考文献[1] P. Hacke, M. Kempe, K. Terwilliger, S. Glick, N. Call, S. Johnston et al., “ Characterization of Multicrystalline Silicon Modules with System Bias Voltage Applied in Damp Heat ” , 25th EUPVSEC, Valencia, Spain, 2010. [2] S. Pingel, O. Frank, M. Winkler, S. Daryan, T. Geipel, H. Hoehne et al., “ Potential Induced Degradation of solar cells and panels ” , 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, USA, 2010. [3] P. Hacke, K. Terwilliger, R. Smith, S. Glick, J. Pankow, M. Kempe et al., “ System Voltage Potential-Induced Degradation Mechanisms in PV Modules and Methods for Test ” , 37th IEEE PVSC, Seattle, Washington, USA, 2011. [4] J. Berghold, O. Frank, H. Hoehne, S. Pingel, B. Richardson, and M. Winkler, “ Potential Induced Degradation of solar cells and panels ” , 25th EUPVSEC, Valencia, Spain, 2010. [5] H. Nagel, A. Metz and K. Wangemann, “ Crystalline Si solar cells and modules featuring excellent stability against potential induced degradation ” , 26th EUPVSEC, Hamburg, Germany, 2011.[6] M. Sch tze, M. Junghnel, M.B. Koentopp, S. Cwikla, S. Friedrich, J.W. M ller et al., “ Laboratory study of potential induced degradation of silicon photovoltaic modules ” , 37th IEEE PVSC, Seattle, Washington, USA, 2011. [7] M. Sch tze, M. Junghnel, O. Friedrichs, R. Wichtendahl, M. Scherff, J. M ller et al., “ Investigations of potential induced degradation of silicon photovoltaic modules ” , 26th EUPVSEC, Hamburg, Germany, 2011.